量子保密通信中若干问题的研究

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1、西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：量子保密通信中若干问题的研究作者：张明慧学科专业：信息与通信工程指导教师：李会方2017年11月Title:ResearchonSeveralProblemsofQuan-tumSecureCommunicationByMinghuiZhangUndertheSupervisionofProfessorHuifangLiADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirement

2、ForthedegreeofDoctorofInformationandCommunicationEngineeringXi’anP.R.ChinaNovember,2017摘要摘要量子保密通信技术是基于量子力学基本原理，结合信息学与密码学进行信息获取、传输、处理与存储的一门新兴交叉学科，在最近三十年间取得巨大进展。随着社会进步和科技发展，信息传输和交互的速度越来越快，人们对通信系统的安全性和可靠性要求也越来越高。与经典通信不同，量子通信的安全性不依赖于计算复杂性，而源于量子力学的基本特性。量子通信的安全性是由海森堡测不准原理、非正交态不可区分定理及

3、量子不可克隆定理所保障。这使得量子保密通信技术具有无条件安全性和对窃听者的可检测性，这两个特征在经典通信中都无法实现。因此，在信息安全性和可靠性方面，量子保密通信技术具有绝对优势。本文对量子保密通信的相关协议进行研究，所取得的创新性研究成果包括：1.本文提出一种基于Bell态纠缠交换的量子弱盲签名协议。该协议利用对称密码体制完成签名和验证。不同于现有的量子弱盲签名协议，所提出的协议采用两级验证过程增强验证的有效性。两级验证过程包括对签名信息的验证和对初始信息的验证。协议利用Bell态纠缠交换机制作为签名和验证的基础。Bell态纠缠交换特性保证了验证准

4、则的安全性。本协议中包含一个可信的仲裁者，负责控制协议流程，辅助验证签名信息和初始信息的真伪。所提出的协议具有不可伪造性、不可否认性、可追溯性和盲性。2.针对量子信道存在噪声的问题，本文提出两个基于逻辑Bell态纠缠交换的可容错量子盲签名协议。这两个协议分别用于抵御集体相移噪声和集体旋转噪声。两个签名协议都是由逻辑Bell态构建的去相干子空间构成，逻辑量子态对于集体噪声具有容错功能。因此，协议可有效改善通信过程的保真度。协议利用逻辑Bell态的纠缠交换机制完成签名和认证。基于逻辑Bell态的纠缠交换原理，验证者只需对自己的逻辑Bell态执行两次Bel

5、l态测量即可实现对签名信息的验证。这使得协议在实际应用时更加方便。安全性分析证明协议可有效抵御某些个体窃听攻击。同时，协议满足量子盲签名的固有特性。3.针对WLS协议中存在的限制及安全漏洞，本文提出一种基于可控量子远程传态的改进量子多方签名协议。研究发现，WLS协议中存在几个问题。首先，WLS协议中三粒子GHZ态的其中一个粒子并未在签名和验证阶段中被利用到。改进的协议利用Bell态代替GHZ态作为信息载体，根据现有技术水平，Bell态的制备较GHZ态更容易实现。其次，WLS协议只能对某些特定的信息进行签名，适应性不强。改进的协议取消对初始信息参数的限

6、制，可实现对任意量子态进行签名。最后，安全性分析证明WLS协议存在严重的安全隐患。改进的协议可有效克服WLS协议中存在的安全问题。4.本文提出一种基于Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）光子对的半量子安全直接通信协议，其中经典发送方Bob能够直接向量子接收方Alice发送一个秘密消息。因此，I西北工业大学博士学位论文协议可以利用较少的量子资源实现信息的安全直接传输。协议包括两个通信阶段：安全检测阶段和信息编码阶段。检测量子信道的安全性之后，Bob将秘密信息编码在编码量子态上；Alice通过分别测量她的home量子态和返回的编码量子

7、态即可提取出Bob的秘密信息。所提出的量子安全直接通信协议可抵御某些个体窃听攻击。此外，效率分析表明协议可提供更高的通信效率。5.在本文中，我们将去相干子空间的思想融入到半量子密钥分发协议中，并提出两种对于集体相移噪声可容错的半量子密钥分发协议，分别是基于随机化的半量子密钥分发协议和基于测量重发的半量子密钥分发协议。协议采用逻辑量子态构建的去相干子空间作为传输块。因此，所提出的协议可以提供更高的通信保真度。在协议中，Alice将秘密信息编码在逻辑量子态上，并将该逻辑量子态随机发送给Bob；Bob随机选择对这些逻辑量子态的经典操作。通过上述通信过程，A

8、lice和Bob能够创建共享密钥。协议可实现量子通信方和经典通信方之间的密钥共享。安全性分析证明协议可抵御某